本发明属于集成光子学和非线性光学，具体涉及一种氧化镁掺杂的薄膜铌酸锂微腔光梳产生方法。
背景技术：
1、光学频率梳（简称“光梳”）是一种在频率域上呈现离散、等间距梳状谱线的相干光源，已成为高精度光学频率测量的关键工具，在精密计量、光原子钟、量子信息处理以及低噪声微波合成等领域具有广泛应用价值。基于光学微腔的克尔孤子光梳因其高重复频率、紧凑体积与易于集成的特性，已成为集成光子学中最有前景的光源之一。目前，孤子微腔光梳已在多种材料平台上得到实现，包括氮化硅（si3n4）、氮化铝（aln）、薄膜铌酸锂（ln）、薄膜钽酸锂（lt）、碳化硅（sic）和氮化镓（gan）等。在上述材料中，薄膜铌酸锂因其优异的电光特性、二阶和三阶非线性特性以及宽带透明窗口，展现出构建高性能、多功能集成光梳产生平台的巨大潜力。
2、然而，纯薄膜铌酸锂材料在实际应用中仍面临严峻挑战。首先，纯ln材料的光损伤阈值较低，导致微腔在高功率泵浦下难以维持长期的工作稳定性。其次，现有基于二氧化硅（sio2）包层的薄膜铌酸锂微腔产生方法，由于受限于材料界面吸收损耗，导致 q值通常较低，难以满足产生孤子微腔光梳所需的低非线性阈值条件。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种氧化镁掺杂的薄膜铌酸锂微腔光梳产生方法。
2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
3、本发明提供一种氧化镁掺杂的薄膜铌酸锂微腔光梳产生方法，包括：对微腔的横截面几何参数进行优化设计，使其在所选泵浦波长范围呈现反常色散特性；根据确定的微腔横截面几何参数，在掺杂浓度为5mol.%的氧化镁掺杂薄膜铌酸锂基片上制备所述微腔，用以提供激发克尔孤子光梳的非线性增益环境；对泵浦激光执行不同扫描方向的扫频操作，实时监测所述微腔的透射谱线变化，直至捕捉到孤子台阶信号；对所述泵浦激光的波长进行精细调谐，引导所述泵浦波长稳定进入所述孤子台阶的有效宽度范围内，从而激发并产生稳定的微腔孤子光梳。
4、本发明中所述的掺杂浓度为5mol.%的氧化镁掺杂薄膜铌酸锂基片，从下至上依次为厚度525m的硅衬底、厚度2m的二氧化硅层以及厚度800nm的5mol.%氧化镁掺杂z切薄膜铌酸锂。
5、进一步地，所述微腔为第一微腔或第二微腔；所述第一微腔的表面具有空气包层结构；所述第二微腔的表面具有二氧化硅包层结构。
6、本发明中，微腔的制备方法如下：
7、首先，采用电子束曝光技术和arn7520.17负性光刻胶，在5mol.%氧化镁掺杂的铌酸锂薄膜基片表面精确定义微腔的几何图形。随后，通过氩离子束刻蚀工艺，将所述光刻胶微腔图形转移至5mol.%氧化镁掺杂的铌酸锂薄膜层中，形成微腔波导结构。刻蚀完成后，对芯片进行湿法处理，去除残余光刻胶和再沉积产物。此时获得的未经包层覆盖的微腔波导结构即为表面具有空气包层结构的第一微腔。此外，采用等离子体增强化学气相沉积工艺，在所述微腔波导结构表面均匀沉积厚度为1μm的二氧化硅包层，从而形成表面具有二氧化硅包层结构的第二微腔。最后，将制备好的第一微腔和第二微腔芯片置于500c的高温环境下进行退火处理，持续时长为3小时，以修复刻蚀损伤并降低散射损耗。退火完成后，对芯片进行解理操作，以形成平整的波导耦合端面。
8、本发明对所述微腔横截面几何参数的优化设计，具体指对所述微腔波导横截面宽度及微腔半径进行协同调控与优化。在通信c波段（1530nm～1565nmm）进行实验测试验证，第一微腔的本征 q值为5.5×106，自由光谱范围（fsr）约为203ghz，二阶色散参数d2/(2π)约为1.18mhz；第二微腔的本征 q值为1.4×106，fsr约为339 ghz，d2/(2π)约为3.67 mhz。两种结构均表现出明显的反常色散特性，满足微腔孤子光梳产生的条件。
9、进一步地，第一微腔的横截面几何参数是：波导宽度为2.8μm，微腔半径为100μm。
10、进一步地，第二微腔的横截面几何参数是：波导宽度为1.7μm，微腔半径为60μm。
11、进一步地，对泵浦激光执行不同扫描方向的扫频操作具体包括：首先，逐步提高泵浦功率，在微腔谐振波长附近正向和反向扫描泵浦激光频率，直至在透射功率曲线中观察到孤子台阶；其次，在所述孤子台阶对应的固定泵浦功率下，对所述泵浦激光的波长进行精细调谐，引导所述泵浦波长进入所述孤子台阶对应的失谐范围内，以激发并产生微腔孤子光梳；最后，将所述泵浦功率降低至预设值，调谐所述泵浦波长，激发出具有特定重复频率分布特性的孤子晶体光梳。
12、更进一步地，孤子台阶对应的固定泵浦功率满足以下条件：
13、；其中， p in为泵浦功率； c为光速； a eff为有效模式面积； β2为群速度色散； η为波导到微腔的耦合效率； n2为三阶非线性系数； τ为脉冲宽度； q为加载品质因子； d1为自由光谱范围对应的角频率间隔； β2的计算公式是：； η的计算公式是：； d1的计算公式是：；其中， n为材料折射率； d2为二阶色散系数； q0为本征品质因子； fsr是自由光谱范围。
14、更进一步地，对第一微腔进行频率递增或递减的双向扫频过程中，在35mw片上功率产生单孤子光频梳；将片上泵浦功率降低至18mw，调谐泵浦波长，激发出具有特定重复频率分布特性的孤子晶体光梳。
15、更进一步地，对第二微腔进行频率递增的单向扫频过程中，在79mw片上功率产生单孤子光频梳；将片上泵浦功率降低至20mw，调谐泵浦波长，激发出具有特定重复频率分布特性的孤子晶体光梳。
16、本发明能够在高泵浦功率下实现微腔孤子光梳的产生，以及在低泵浦功率下实现孤子晶体的产生。实验结果表明，本发明提供的技术方案在低功耗孤子产生方面的显著优势，仅需≤20mw的片上泵浦功率即可产生孤子晶体，有利于实现更紧凑的系统集成。
17、本发明的有益效果：
18、1、本发明提供一种氧化镁掺杂的薄膜铌酸锂微腔光梳产生方法。利用5mol.%氧化镁掺杂薄膜铌酸锂材料的三阶非线性特性，结合优化的微腔结构设计和制备工艺，实现反常色散和高品质因子，并在微腔结构中实现了克尔孤子光梳的稳定产生。
19、2、本发明利用5mol.%氧化镁掺杂的薄膜铌酸锂材料，显著提升微腔的光学损伤阈值，使微腔在高泵浦功率下仍能保持长期稳定工作，提升器件在精密测量等领域中的实用性。
20、3、本发明利用5mol.%氧化镁掺杂的薄膜铌酸锂材料，不仅在较高泵浦功率下激发并获得孤子微腔光梳，同时在较低泵浦功率下实现孤子晶体产生，有利于降低系统功耗并推动更紧凑的系统级集成。
21、4、本发明在空气包层和二氧化硅两种微腔结构中均实现了克尔孤子光梳的稳定产生。其中，二氧化硅包层微腔将为后续热调谐电极等功能单元的集成提供结构支撑。